基于GEOPAK Site三維場地設(shè)計(jì)在浯溪口水利樞紐中的應(yīng)用

翁發(fā)根

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，南昌 330029)

?

基于GEOPAK Site三維場地設(shè)計(jì)在浯溪口水利樞紐中的應(yīng)用

翁發(fā)根

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，南昌 330029)

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，開挖圖的繪制往往較為繁雜，采用常規(guī)的平面CAD 繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)成果。GEOPAK Site是一套動(dòng)態(tài)的專門場地三維設(shè)計(jì)軟件，其模塊用來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場地的開挖與回填設(shè)計(jì)。基于GEOPAK Site 三維場地設(shè)計(jì)軟件對浯溪口水利樞紐進(jìn)行三維開挖輔助設(shè)計(jì)，取得了良好效果，其經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考。

水利水電工程；開挖圖；GEOPAK Site；浯溪口水利樞紐

0　引　言

工程設(shè)計(jì)中場地設(shè)計(jì)是一個(gè)繁瑣復(fù)雜的過程，即使在常規(guī)二維設(shè)計(jì)過程中借助于ZDM 等相關(guān)專業(yè)制圖插件，清楚的表達(dá)場地開挖與回填情況也不是十分容易點(diǎn)。對于具有復(fù)雜地形的水利樞紐工程來說，開挖圖的設(shè)計(jì)很大程度上取決于設(shè)計(jì)工程師的三維空間想象能力，加之重復(fù)的計(jì)算和制圖，使得場地開挖圖設(shè)計(jì)成為工程設(shè)計(jì)的一個(gè)難題，繪制常規(guī)開挖圖耗時(shí)耗力，而且容易出錯(cuò)。此外，常規(guī)二維開挖圖在設(shè)計(jì)意圖及成果上不如三維那樣直觀和有空間感，從而對指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場施工也會(huì)帶來一定的影響[1-2]。

GEOPAK Site是Bentley軟件公司旗下場地設(shè)計(jì)的專業(yè)三維軟件，它擁有一整套動(dòng)態(tài)而又不失靈活的專門場地設(shè)計(jì)工具，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的基礎(chǔ)工程，如房屋建筑的基坑開挖、渠道設(shè)計(jì)、公路設(shè)計(jì)及其水利樞紐工程的大壩基礎(chǔ)開挖等，其優(yōu)秀的三角網(wǎng)算法和對計(jì)算機(jī)處理器的充分應(yīng)用，顯著地減輕了設(shè)計(jì)人員復(fù)雜場地開挖圖設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，且其精準(zhǔn)方便的工程量統(tǒng)計(jì)也為工程造價(jià)的精確計(jì)算打下了基礎(chǔ)。

文章借助GEOPAK Site 強(qiáng)大的三維模型處理能力，對浯溪口水利樞紐進(jìn)行三維場地開挖輔助設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程較之傳統(tǒng)二維開挖圖設(shè)計(jì)更高效、準(zhǔn)確、形象直觀，且工程量自動(dòng)計(jì)算。取得了較好的設(shè)計(jì)成果。

1　概　述

GEOPAK是一款集成的土木工程三維設(shè)計(jì)軟件，工程場地主要使用GEOPAK Site模塊來實(shí)現(xiàn)場地的開挖、回填設(shè)計(jì)。在這款三維軟件中可以根據(jù)開挖對象的先后順序來實(shí)現(xiàn)工程的實(shí)際施工模擬，比常規(guī)二維的設(shè)計(jì)成果更加直觀，更具實(shí)用價(jià)值指導(dǎo)施工。

1)在通用設(shè)計(jì)平臺(tái)MicroStation中建立建筑物各部位三維模型(重力壩、廠房等)，將分部模型組裝完成后，提取建筑物與基礎(chǔ)接觸的特征輪廓線并結(jié)合地形、地質(zhì)的三維數(shù)字模型，在GEOPAK中就可以實(shí)現(xiàn)場地的三維可視化設(shè)計(jì)。

2)將地質(zhì)資料和數(shù)字地模導(dǎo)入GEOPAK中，并將建筑物的特征輪廓線投影到實(shí)際設(shè)計(jì)高程，然后按照給定設(shè)計(jì)坡比在原地形上進(jìn)行放坡，修筑馬道等。

3)在建筑物基礎(chǔ)開挖有交集的地方，軟件可自動(dòng)處理或者人工干預(yù)，進(jìn)而防止重復(fù)計(jì)算開挖量。

基于GEOPAK Site 的輔助開挖設(shè)計(jì)主要流程有：①建立三維數(shù)字地面模型；②提取建筑物特征輪廓線；③確定開挖坡比、范圍、方案等；④調(diào)整及優(yōu)化方案；⑤成果整理及三維抽圖、剖切出圖。

2　工程項(xiàng)目背景

浯溪口水利樞紐工程是一座以防洪為主，兼顧供水、發(fā)電等綜合利用的水利工程。樞紐總體布置沿軸線從左至右依次為：左岸碾壓混凝土非溢流壩段、表孔溢流壩段、低孔溢流壩段、廠房壩段、右岸碾壓混凝土非溢流壩段，重力壩最大壩高 46.80m，壩軸線總長498.62m。

溢流表孔單孔凈寬12.0m，共5孔，溢流低孔單孔凈寬12.0m，共6孔。廠房采用河床式布置，共3臺(tái)機(jī)，總裝機(jī)容量32.0MW (2×15MW+ 1×2.0MW)[5]。

3　GEOPAK Site三維開挖設(shè)計(jì)

首先在MicroStation 建立各部位三維模型，樞紐模型總裝完成后，搜集所需的測量資料(前期的DWG工程地形圖紙)，利用帶數(shù)據(jù)的等高線、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)、河岸等特征線生成GEOPAK 可識(shí)別的tin(不規(guī)則三角網(wǎng)格)文件，見圖1。

將原地面模型的tin文件導(dǎo)入，并作為開挖設(shè)計(jì)的原地面(基準(zhǔn)面)。將樞紐三維模型參考到開挖文件中(坐標(biāo)系對應(yīng))，建立不同的開挖對象(大壩基坑、上壩公路等)，提取建筑物(重力壩及廠房等)與基礎(chǔ)接觸的特征輪廓線到當(dāng)前設(shè)計(jì)模型，見圖2。

在特定的開挖對象中，將建筑物的特征輪廓線作為基本元素線并賦值到對應(yīng)的設(shè)計(jì)高程，然后按照給定設(shè)計(jì)坡比及馬道高程進(jìn)行放坡，依次類推，直到所有開挖對象完成。不同開挖對象的交叉根據(jù)設(shè)計(jì)者需求可以進(jìn)行人工干預(yù)，也可讓軟件自動(dòng)進(jìn)行。

各個(gè)不同的構(gòu)筑物因?yàn)樗幬恢眉案叱滩煌蚤_挖順序也不同。GEOPAK Site 中根據(jù)構(gòu)筑物的施工順序創(chuàng)建不同的對象(Object)，所有對象隸屬于統(tǒng)一的場地開挖模型，通過編輯調(diào)整模型里對象的順序來模擬開挖施工順序，開挖完成后，進(jìn)行工程量的統(tǒng)計(jì)。

本工程將基坑開挖、左、右岸上壩公路及進(jìn)廠公路列為不同對象，對整個(gè)場地模型放坡，通過調(diào)整FIFO順序來實(shí)現(xiàn)開挖順序模擬，見圖3。

圖1　原始三維地形圖

圖2　建筑物外輪廓線

圖3　開挖順序模擬

利用GEOPAK Site開挖后的三維模型，可以迅速快捷統(tǒng)計(jì)相應(yīng)開挖工程量，即使用查詢命令，通過三角網(wǎng)格差分法求解工程量。可以是開挖模型對原地面模型得出整體工程量，也可是開挖對象對原地面模型得到局部工程量，同時(shí)也可分高程得到詳細(xì)的工程量，見圖4～6。

圖4　開挖成果圖

圖5　樞紐開挖模型

GEOPAK Site三維開挖設(shè)計(jì)完成之后，根據(jù)需要對成果進(jìn)行整理。由于GEOPAK Site儲(chǔ)存了三維開挖設(shè)計(jì)過程中的所有信息，所以根據(jù)需要可以在任意部位進(jìn)行剖切提取開挖斷面圖；在頂視圖中投影提取開挖設(shè)計(jì)過程中的要素線、開挖邊界以及參考原地形圖生成開挖總體平面圖，后續(xù)根據(jù)出圖需求進(jìn)行相應(yīng)尺寸、高程標(biāo)注，見圖7～8。將上述成果按照常規(guī)二維開挖圖出圖方式進(jìn)行整理、歸類并最終形成設(shè)計(jì)圖紙。

圖7　利用三維開挖模型生成平面圖

圖8　剖切廠房壩段橫剖面

4　結(jié)　語

4.1優(yōu)點(diǎn)

GEOPAK Site在Microstation 平臺(tái)的基礎(chǔ)上充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力(三角網(wǎng)差分法)，給水利水電工程的場地設(shè)計(jì)，尤其是復(fù)雜的基坑開挖提供了巨大的支持：

1)GEOPAK Site 的計(jì)算精度在很大程度上依賴于于地形測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)工程師所選用的三角網(wǎng)格精度。相比于常規(guī)二維設(shè)計(jì)通過剖切典型斷面計(jì)算工程量，能夠更準(zhǔn)確、迅速的計(jì)算工程量，更真實(shí)、形象地反應(yīng)開挖、回填效果。

2)GEOPAK軟件有實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)功能，即通過調(diào)整對應(yīng)設(shè)計(jì)要素線，重新運(yùn)算后，整個(gè)工程的模型隨著更新，使三維場地的開挖、回填變得更加直觀，重新運(yùn)行工程量查詢命令可以得到更新后的工程量。

3)對于大范圍的場地平整,通過不斷調(diào)整場地要素線的設(shè)計(jì)標(biāo)高，進(jìn)而得到做到土石方的開挖平衡,大大的提高工作效率。

4)運(yùn)用GEOPAK Site軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)反映場地開挖的三維效果，形象的反映工程整體布置并高效的輔助實(shí)際場地開挖，在方案比選優(yōu)化以及工程量統(tǒng)計(jì)上有著無與倫比的快捷，能夠更好地管理和組織后續(xù)施工。

5)此外，還可以根據(jù)三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積并指導(dǎo)應(yīng)用于征地移民工作、檢查邊坡設(shè)計(jì)方案的合理性，進(jìn)而避免過多的高邊坡出現(xiàn)。

4.2存在問題

分類區(qū)別計(jì)算土石方工程量時(shí)，需要區(qū)分不同的地層屬性，這就需要精細(xì)的地質(zhì)資料。GEOPAK 是根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)并結(jié)合地形進(jìn)行擬和，從而擬合生成地質(zhì)層的。本項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)開展過程中受實(shí)際條件限制，并未根據(jù)鉆孔擬合工程設(shè)計(jì)的三維地質(zhì)模型，這就為基礎(chǔ)開挖、邊坡設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)帶來不便，后期類似工程開展時(shí)，應(yīng)建立基于三維地質(zhì)的數(shù)字地面模型。

由于GEOPAK Site目前在國內(nèi)水利水電行業(yè)的應(yīng)用尚處于探索階段，一些標(biāo)準(zhǔn)跟國內(nèi)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求不盡相符。因此，很多后續(xù)的平面尺寸標(biāo)注尚需用戶自定義，需耗費(fèi)一定精力在后期成果整理及開挖圖出圖上。

4.3前景展望

三維可視化設(shè)計(jì)是水利水電設(shè)計(jì)行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢。隨著勘測設(shè)計(jì)工作的市場化，通過競爭業(yè)主對設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量要求將會(huì)越來越高，而工程設(shè)計(jì)周期卻越來越短。利用GEOPAK Site進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，不僅可以快速地進(jìn)行工程的方案優(yōu)選比較，同時(shí)對設(shè)計(jì)方案的修改也能在很短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)反饋，尤其是在開挖及回填工程量的計(jì)算統(tǒng)計(jì)上。隨著市場的發(fā)展，GEOPAK Site后續(xù)出圖工具也將會(huì)越來越完善，越來越多適合國內(nèi)水利水電行業(yè)的模塊也將會(huì)得到發(fā)展，從而使工作效率得到顯著的提高。

[1]孫程.基于GEOPAK Site 的三維開挖輔助設(shè)計(jì)[J].人民長江，2013，44(17):26-28.

[2]趙一新，李政鵬，屈志剛.GEOPAK在前坪水庫工程場地開挖的應(yīng)用及工程優(yōu)化[J].西北水電，2014 (05):97-99.

[3]蘇瑩瑩.GEOPAK軟件在奮斗水庫三維設(shè)計(jì)開挖中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2014，42(4):41-42.

[4]虞松賓.淺談利用三維設(shè)計(jì)軟件計(jì)算某灌區(qū)渠道工程量[J].廣西水利水電，2009(6):64-67.

[5]江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院.江西省浯溪口水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].南昌：江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2012.

1007-7596(2016)05-0116-04

2016-03-10

翁發(fā)根(1985-)，男，河南信陽人，工程師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TP39

A